第三节 肥料在土壤中的形态转化及高效施用
一、氮素在土壤中的形态转化及高效施用
1.土壤中氮素形态及含量
土壤中的氮素分有机态和无机态两种，大部分以有机态存在，无机态氮一般只占全氮的1%～5%，土壤氮含量和土壤有机质密切相关，影响土壤有机质含量的水热条件、土壤质地等因素也是影响氮素含量的最主要的两个因素。一般菜地全氮含量在0.6～1.2g/kg之间。
土壤中的有机态氮主要存在于腐殖质、动植物残体、微生物中，一小部分为有机物降解生成的易分解的蛋白质、酰胺和氨基酸。土壤无机态氮包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮。可以被作物吸收利用的氮包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、易分解的蛋白质、酰胺和氨基酸。而铵态氮、硝态氮和亚硝态氮更易被吸收利用，所以也叫速效性氮。速效性氮含量受施肥的影响很大，在不施肥的情况下，作物生长期间，表土中交换性氨和N
-N的含量，一般在1～20mgN/kg之间，通常施用基肥后，可达150mgN/kg以上。
2.土壤中氮素的转化
土壤中氮素的各种形态不是一成不变的，在土壤动植物、微生物及环境因素的影响下，各种形态可以相互转化。转化过程包括有机氮的矿化过程、硝化-反硝化过程、腐殖质的形成过程、植物和微生物对有效态氮的吸收固定过程以及用黏土矿物对N
吸收固定过程等。
有机氮的矿化是指土壤有机态的氮素，在土壤动物和微生物的作用下，大分子含氮有机物经水解、氧化过程，由难以被植物利用的形态转化成可被植物利用的无机态氮的过程。这一过程增加了对作物有效氮的供应。
影响有机氮矿化的因素有很多，土壤动物和微生物是核心因素，环境因素通过影响土壤动物和微生物的活动间接影响矿化过程。环境中的土壤温度和湿度是影响土壤矿化的主要因子。在土壤最大持水量的60%～80%，温度20～35℃时，最适于微生物活动，有机氮的矿化速度也最快。土壤有机质中的C/N对矿化速率和矿化量也有影响，理想的C/N为（20～30）∶1。向土壤中投入新鲜有机物，对微生物繁殖和活动具有激发效益，能加速土壤中原有有机物的矿化。在较高的pH（超过8.5）条件下，有机氮的矿化速率大于pH较低条件下的矿化速率。
铵态氮的硝化作用是指通过硝化细菌的作用，将铵氧化为硝酸，同时为微生物生活释放所需能量的过程。它由两个不同的阶段构成，第一阶段是由亚硝化细菌将铵氧化为N
；第二阶段是由硝化细菌将N氧化为N。
硝化作用的主要产物是硝酸盐，亚硝酸盐的含量极微。与铵态氮一样，都是植物容易吸收的氮素。但是硝酸盐和亚硝酸盐都不能被土壤胶体吸附，在灌溉过量时，极易被淋洗到深层土壤，造成养分损失。
硝化作用是在好氧条件下通过微生物作用进行的，土壤通气状况、温度对硝化作用的影响较大。在土壤湿度过大、温度过高过低时，硝化作用受到抑制。另外在强酸性土壤中硝化作用也不能进行。
硝态氮的反硝化作用是指在厌氧条件下，反硝化细菌利用N中的氧来氧化土壤有机物和无机物，N生物则脱氧变成N，由N最后还原成N2O和N2而挥发损失的过程。反硝化作用的主要产物是氮气和各种氮氧化物，是水田和渍水农田氮素损失的主要途径。反硝化作用强弱与土壤中氧分压和N浓度密切相关。
无机氮的固定。指土壤中的可被作物吸收利用的无机氮转变为较难被作物吸收的其他形态的氮，包括生物固定和化学固定。生物固定指在微生物生命过程中，需要吸收一部分无机氮组成微生物躯体，同时合成更为复杂的腐殖质，使这部分氮素难以被作物吸收利用。氮的生物固定过程与矿化过程是互逆的，对于减少土壤中氮的损失起着重要的作用。化学固定指铵态氮在土壤中通过化学过程变成不易被作物吸收利用的形态。如铵态氮通过氧化缩合作用，转化成大分子有机杂环化合物，也叫有机质固定。铵离子进入黏土矿物的晶格而失去有效性，也叫黏土矿物固定。
3.肥料氮在土壤中的转化与迁移
目前常用的氮肥按照所含的氮素形态可分为铵态氮肥、硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓效氮肥。铵态氮肥包括碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵，二铵中的氮也是铵态氮。硝态氮肥包括硝酸钙、硝酸钾。酰胺态氮肥主要是尿素。缓效氮肥指包衣尿素、包衣缓释肥或添加稳定剂的含氮肥料。硝酸铵既含有铵态氮，又含有硝态氮，也叫硝、铵态氮肥。氮肥施入土壤后，逐渐溶于土壤溶液，与土壤氮具有质的统一性。除少部分很快被作物吸收外，大部分参与土壤氮的转化，其中部分转化过程和迁移会造成氮的损失。
铵态氮肥施入土壤后，首先转化为铵离子，可以被土壤胶体吸附。其可能的转化迁移方向有四个。一是在旱地栽培中，经过硝化作用转化为硝态氮，再经过量灌溉淋洗至深层损失。这种硝化作用在干旱、施肥位置太浅时发生较为严重。二是在碱性土壤及与空气接触条件下，可以转化为氨气挥发损失。三是地表水径流过程随土壤颗粒流出农田的径流损失。四是在黏重土壤中铵离子进入黏土矿物晶格而被固定失效。
硝态氮肥进入土壤后，首先以硝酸根形态存在于土壤溶液，硝酸根不能被土壤胶体吸附，移动性较强。其可能的转化迁移方向有三个。一是在淹水或过量灌溉条件下，淋洗至深层损失。二是在嫌气条件下，经过反硝化作用转化为氮氧化物和氮气挥发损失。三是与铵态氮一样可发生径流损失。
酰胺态氮肥主要是尿素。尿素进入土壤后，以分子形态存在与土壤溶液中，只有20%左右以物理吸附方式被土壤吸附，且不牢固，这时尿素在土壤中的移动性很强，在多水条件下易于淋洗、径流损失。尿素在脲酶的作用下转化成碳酸氢铵和氢氧化铵，这两种物质都不稳定，易分解释放出氨气。这种作用受土壤pH、温度、水分等条件的影响。一般情况下4～10天可以全部转化成铵态氮，其后的转化迁移与铵态氮肥相同。
缓效氮肥通过包衣阻隔、化学抑制等作用，在土壤中氮的释放速度比较缓慢，释放规律与作物吸收规律比较一致，从而大幅减少氮的淋洗、挥发损失。但是氮的释放受温度和土壤湿度的影响很大，在高温、高湿条件下氮素释放较快，反之较慢。在施用量大、高温高湿条件下也难免有损失。
综上所述，氮素的迁移损失主要有四个方向，即淋洗损失、挥发损失、径流损失和土壤固定。影响氮素淋洗损失的主要因素有：降水、灌溉、施肥、土壤特性、植被以及耕作等。影响氮素挥发损失的主要因素有：土壤温度、湿度、容氧量、类型、结构、空隙、pH值，以及耕地管理方式（如施用化肥的种类和数量、耕种技术、作物系统和灌溉）等。影响氮素径流损失的主要因素是降雨、径流、土壤性质（土壤种类、土壤结构、土壤质地等）、坡面坡度以及土地植被覆盖情况等。氮的晶格固定发生在黏重土壤中，主要受土壤质地和母质的影响。
4.氮肥的高效利用
菜地系统是典型的施肥和耕作系统，氮肥的大量输入、频繁的耕作以及蔬菜生长的短周期和对氮素较低的利用率等因素使得蔬菜生产系统较易发生硝态氮的淋失。尤其是经过长期种植的老菜地，形成了特有的菜地土壤，结构良好，土壤溶液中本身养分含量较高，更容易引起氮素损失。如何提高氮肥利用率成为被关注的问题。
（1）制定适宜的氮肥施用量，平衡施肥。适宜的氮肥施用量对维持作物产量和环境质量至关重要。过量施用不但产量下降，氮素通过各种途径损失的量也不断增加，利用率随之下降。因此，氮肥施用量要控制在经济最佳用量以内，以充分提高氮肥的利用率，减轻硝态氮对水体的污染。平衡施肥在减少土壤N-N累积方面具有积极作用，根据土壤养分状况和作物需求，合理配施磷肥、钾肥、有机肥，均可促进植物对氮的吸收，显著降低土壤中N-N累积。
（2）肥水调控，综合运筹。氮素在土壤中移动性较强，水分状况是氮素迁移损失的主要影响因素。水分调控对减少氮素损失至关重要。推广节水灌溉、滴灌施肥、水肥一体化等施肥技术，根据不同作物不同生长阶段的肥水需求，综合运筹，实现肥水耦合，充分发挥水肥之间交互效应，能显著提高灌水和肥料的利用率。
（3）因品种施肥。铵态氮肥应深施覆土，深度掌握在7～10cm，这样既能减少氨挥发，又能减弱硝化作用。在施用时比硝态氮肥提前几天。硝态氮肥施用后不能大水漫灌，防止淋洗损失。酰胺态氮肥施用要求同铵态氮，但其在土壤中转化为铵态氮还需要4～10天时间，作追肥时应比铵态氮肥提前4～7天。
（4）配合化学抑制剂（氮肥增效剂）施用。铵态氮肥与硝化抑制剂混合施用，尿素与脲酶抑制剂混合施用，通过抑制土壤微生物及其酶的活性，减缓养分的释放速度，调控土壤氮素形态转化，可达到减少氮素损失，提高利用率的目的。
二、磷素在土壤中的形态转化及高效施用
1.磷素在土壤中的形态
土壤磷主要来自于成土矿物，有机物质及肥料投入对磷含量有一定的影响。由于长期施用磷肥，我国自20世纪70年代中期起，磷素循环基本达到平衡。但当季植物只能利用10%～25%左右，有近75%～90%的磷积累在土壤中，其数量相当可观。目前，菜地土中积累的有效磷的含量已达到了较高的水平，已经对地表水体径流、水体富营养化和地下水污染存在着潜在影响。
土壤中磷的形态可分为有机态磷和无机态磷。无机磷包括原生矿物磷灰石和次生的无机磷酸盐，大多数耕地土壤的无机磷占总磷量的60%～80%，它们是植物所需磷素的主要来源。有机磷主要包括磷酸肌醇、磷脂和核酸，还有少量的磷蛋白和磷酸糖，它们主要存在于土壤有机物中，约占全磷量的20%～40%。有机磷大部分需要经过微生物活动矿化分解成无机磷才能被作物吸收利用。
2.土壤中磷的形态转化
土壤中的无机磷可分为三种形态：水溶态、吸附态和矿物态，其中以矿物态为主。矿物态磷包括含磷的原生矿物、次生矿物及其他含磷化合物。原生矿物磷主要包括氟磷灰石［Ca10（PO4）5F2］、羟基磷灰石［Ca10（PO4）5OH2］、碳酸磷灰石和盐基性磷酸铁（铝），很难被作物吸收利用。次生含磷矿物则以磷铝石和粉红磷铁矿为主，也需要经过较长的生物化学过程才能被吸收利用。而其他含磷化合物则是指肥料磷与土壤反应产生的溶解度较小的中间产物，如磷酸钙、磷酸铁、磷酸铝。它们在土壤中不稳定，很快会转化为其他含磷化合物。磷的转化有两个方向：一是转化为更难溶解的含磷化合物；另一个是转化为能被作物吸收利用的形态，这个转化过程为难溶磷的释放，主要受根系及微生物分泌物、有机酸、酸性肥料的影响。
土壤中吸附态磷是指吸附在黏土矿物或有机物表面的磷。土壤中吸附态磷的含量一般很低，通常以H2P
和HP
为主，P
很少。影响磷素吸附的因素很多，主要有氧化铁铝含量、土壤黏粒、有机质、pH值等。吸附态磷释放出来后，可以被植物直接吸收利用。
土壤水溶态磷是可供植物直接吸收利用的磷，其含量极低，除解离或者络合的磷酸盐外，还包括部分聚合态磷酸盐。一般只有0.1～1mg/kg，最低甚至只有0.1μg/kg，它的补给主要依赖于磷酸盐矿物的溶解和吸附固定态磷的释放。但水溶态磷很不稳定，极易与土壤中的钙、镁、铁、铝结合，产生难溶性的含磷化合物，这个过程叫磷的化学固定。
土壤中的有机磷包括磷酸肌醇、磷脂、核酸及少量的磷蛋白和磷酸糖及微生物态磷等，大部分都是以高分子形态存在的，有效性不高。一般要通过有机磷化合物的矿化转变为无机磷才能被作物吸收。这个过程主要受根系、微生物等生命活动的影响，影响微生物活动的环境条件如土壤温度、湿度、pH值与耕作技术等都影响有机磷矿化。
3.磷肥的高效施用
应根据作物需要和土壤含量状况合理确定适宜用量，在有机质含量低和缺磷的土壤上增施磷肥，增产效果比较显著。由于作物磷的临界期多在苗期，而磷肥的有效期较长，应尽量作基肥施用。根据具体的土壤条件选取适宜的磷肥品种，在中性和石灰质的碱性土壤上，宜选用呈弱酸性的水溶性磷肥过磷酸钙。在酸性土壤上，宜选用呈弱碱性的钙镁磷肥。二铵中的磷为水溶态，多种土壤均可施用，但一次施用量不要过大。磷肥容易与土壤中的铁、铝、钙等反应生成难溶性物质被固定失效，应采取穴施、条施、拌种和蘸秧根等集中施用方法，减少土壤对磷的固定。磷肥与有机肥混合施用，既可减少土壤对磷的吸附和固定，又可促使难溶性磷释放，增强根系活力，有利于提高磷肥肥效。磷在土壤中的移动性很小，应将磷肥施于根系密集土层中，一般施用深度10～20cm，撒施则作物难以吸收。根据作物需要平衡配施氮、钾肥，比磷肥单施效果好。
三、钾素在土壤中的形态转化及高效施用
1.土壤中的钾素形态
土壤中钾的含量一般在0.5%～2.5%之间，其中绝大部分以难溶性的矿物形态存在，可被吸收利用的形态很少。根据化学形态可划分为水溶性钾、交换性钾、缓效钾和结构钾。
水溶性钾是指以离子形态存在于土壤溶液中的钾，是植物能够直接吸收的钾素形态，常被认为是土壤供钾能力的强度因子，其含量很少，一般为2～5mg/kg。
交换性钾一般指土壤胶体表面吸附的钾（非特殊性吸附钾）和位于云母类矿物风化边缘上楔形区域内可被H+或N交换，但不能为钙、镁等水化半径大的离子所交换的特殊吸附的钾，它与水溶性钾保持动态平衡，补充水溶性钾，是当季作物吸钾的主要来源，一般认为是土壤供钾能力的容量因子。土壤交换性钾含量一般40～600mg/kg，它是土壤速效性钾的主体。水溶性钾和交换性钾统称为速效钾，是土壤供钾能力的重要指标。
土壤缓效钾是吸附于土壤黏土矿物层间的吸附位上，短时间内不能被交换和移走的钾，这部分钾不能直接被吸收利用，但在一定条件仍可以逐渐释放，是土壤速效钾的贮备，所以又称缓效性钾。我国土壤非交换性钾含量一般为40～1400mg/kg，是土壤供钾潜力的指标。
矿物钾或结构钾是指以共价键结合于矿物晶格中或深受晶格结构束缚的钾，一般占全钾的92%～98%，通过风化作用后才能够被作物利用，但是风化过程非常缓慢，因此，矿物钾只能反映土壤钾的总储量，对作物的有效性甚小。
2.土壤中不同形态钾素转化
土壤中钾素的转化可以分为钾素的有效化和无效化过程。钾素的释放和有效性提高的过程即为土壤钾素的有效化过程，包括矿物风化释放出钾素的过程，也包括缓效钾转化为速效钾的过程。这个过程增加了可被作物吸收的钾素，从而提高了土壤的供钾能力。土壤溶液中的钾和交换性钾进入黏土矿物层间的结合点，钾的植物有效性降低，这个过程即为土壤钾素的无效化过程。土壤钾素的释放和固定是影响钾对植物有效性的两个重要过程，二者是一个可逆过程，其反应方向依赖于土壤交换性钾和水溶性钾的浓度和环境条件。主要受土壤质地、黏土矿物类型、土壤水分条件、土壤酸碱度、人为施用钾肥等因素的影响。
作物对钾的吸收范围很小，主要是吸收根际土壤中的钾素。非根际土壤的钾素只有运移到根际才能被作物吸收。钾素的运移受土壤钾的扩散和钾的浓度梯度的影响。水溶性钾移动性较强，可随水运动，过量灌溉和地表径流会造成钾素淋洗或径流损失。
3.钾肥的高效施用
钾肥的主要品种有氯化钾、硫酸钾，均可作基肥和追肥。蔬菜在苗期对钾比较敏感，故施用钾肥以作基肥或与前期追肥相结合较好。基肥最好与氮肥、磷肥配合施用。为减少钾的晶格固定，应条施、层施和穴施。在沙质土壤上施用量不宜过大，施肥后不要大水漫灌。硫酸钾和氯化钾的伴生离子不同，应根据作物营养特点选择使用。需硫较多的十字花科蔬菜以及有甜度要求的瓜类蔬菜，应选用硫酸钾。